李吟詩 伯世偉 吳國江 何龍

（常熟市龍騰特種鋼有限公司，江蘇 蘇州 215511）

摘要：隨著我國鋼鐵行業的蓬勃發展和超低排放標準的實施，二氧化硫( SO₂ ) 和氮氧化物(NOx) 等大氣污染物的排放得到了前所未有的關注。本文簡要分析了目前國內外先進的脫硫技術---濕法脫硫技術、半干法脫硫技術和干法脫硫技術，及脫硝技術---選擇性催化還原（SCR）、活性炭技術和臭氧氧化吸收。指出在單獨脫硫和脫硝技術中，半干法和低溫選擇性催化還原法(SCR) 更具應用潛力， 同時脫硫脫硝技術中，氧化法和活性焦法尚需進一步提高效率和降低成本，同時脫硫脫硝技術具有潛在發展前景。

關鍵詞：鋼鐵行業；燒結煙氣；煙氣脫硫；煙氣脫硝

引言

作為支撐國民經濟發展的戰略基石，中國鋼鐵產業正面臨綠色轉型的歷史性挑戰。國家統計局數據顯示，2022年行業以10.13億噸粗鋼產量蟬聯全球首位，但55.3%的全球占比背后，對應著驚人的環境代價——生態環境部監測表明，全行業污染物排放當量已連續三年超越電力板塊，僅燒結工序產生的PM2.5就占工業源總排放的18%，其SO₂與NOx 排放強度更是達到火電行業的1.7倍^[1]。這種"高產高排"的現狀，在碳達峰目標下顯得愈發不可持續。因此政府部門給鋼鐵行業制定的政策及標準越來越嚴格，鋼鐵行業面臨的壓力比以往任何時候都要大。2019年生態環境部等五部門聯合出臺的《鋼鐵行業超低排放意見》，首次將燒結煙氣SO₂、NOx限值分別錨定35mg/Nm₃和50mg/Nm³的全球最嚴標準。當前，這場綠色革命正進入攻堅階段。2023年新修訂的《鋼鐵工業大氣污染物排放標準》進一步加嚴管控，增設了CO與VOCs的協同控制指標，標志著污染防治從單一治理邁向系統化管控的新階段。目前，開展鋼鐵行業超低排放已成為首要任務。

在鋼鐵冶煉過程中，燒結工序煙氣由于其氣體波動大、溫度波動大、 含水量大、含氧量大等特性復雜，受到人們的高度重視。為了達到超低排放標準，已經開發了許多燒結工序煙氣凈化技術。

燒結煙氣是鋼鐵生產過程中燒結機排放的廢氣，其主要來源是燒結原料（如鐵礦粉、焦粉等）在高溫下進行燒結反應時產生的煙氣。燒結煙氣中含有的污染物種類多，主要包括顆粒物、二氧化硫(SO₂)、氮氧化物(NOx)、重金屬和多環芳烴(PAHs)等^[2]。燒結煙氣的溫度較高，常常在200°C以上，這對煙氣凈化裝置的材料和設計提出了較高的要求。由于生產過程中原料粉末的飛揚以及燒結過程中不完全燃燒產生的灰分，使得燒結煙氣中含有大量的顆粒物。燒結機生產能力通常較大，因此燒結煙氣的流量也相對較大，這對煙氣處理設施的容量提出了很高的要求。

隨著環保法規和標準的不斷更新和提高，舊的治理設施可能無法滿足新的排放要求，需要不斷更新升級。燒結工序煙氣的脫硫技術分為三類：濕法脫硫技術、半干法脫硫技術和干法脫硫技術^[3]。濕法脫硫技術主要包括石灰石-石膏法、鎂法、氨法、雙堿法等。半干法脫硫技術包括噴霧干燥吸附法、循環流化床法、密集流吸收法、梅洛斯法等。此外，干法脫硫技術主要包括活性炭法。與其他兩種脫硫技術相比，半干式脫硫技術因其多污染物協同控制、節水、設備投資低等優點，得到了越來越多的應用^[4]。燒結工序煙氣的反硝化技術主要可分為選擇性催化還原（SCR）、活性炭技術和臭氧氧化吸收^[5]。

1.濕法法脫硫技術

濕法脫硫技術通過將含SO₂的煙氣與堿性吸收劑溶液接觸，使SO₂在溶液中被吸收并轉化為無害的硫酸鹽。該過程主要包括三個步驟：吸收、氧化和固液分離。首先，煙氣在脫硫塔內與噴灑的堿性吸收劑充分接觸，實現SO₂的吸收；然后，亞硫酸鹽在反應槽中被氧化為硫酸鹽；最后，通過固液分離裝置將清潔的氣體和脫硫副產品分離。

1.1.石灰石-石膏法

 石灰石-石膏法是目前最廣泛使用的濕法脫硫技術之一。該方法主要利用石灰石（CaCO₃）作為吸收劑，與含SO₂的煙氣反應生成硫酸鈣（CaSO₄），即石膏。SO₂與水溶液中的CaCO₃反應，生成亞硫酸鈣（Ca(HSO₃)₂），亞硫酸鈣在氧化空氣的作用下轉化為硫酸鈣，最后將生成的硫酸鈣固體（石膏）與液面分離。

石灰石-石膏法具有脫硫效率高；產生的石膏可作為建筑材料等二次利用，降低了處理成本等優點。但其對設備的腐蝕性比較強；需要大量的水進行沖洗，增加了處理成本^[6]。

1.2.鎂法

鎂法脫硫是指使用氫氧化鎂[Mg(OH)₂]作為吸收劑進行脫硫的方法。此方法中，SO₂被氫氧化鎂溶液吸收并轉化為硫酸鎂（MgSO₄），然后通過進一步處理回收或處置。相較于石灰石法，鎂法具有更高的脫硫效率和較低的副產品處理成本。但氫氧化鎂的成本相對較高，增加了脫硫的整體費用。

1.3.氨法

氨法脫硫是使用氨（NH₃）作為吸收劑，與SO₂反應生成硫酸銨（(NH₄)₂SO₄）。硫酸銨是一種優良的肥料，因此這種方法可以將脫硫副產品轉化為有經濟價值的產品。氨法脫硫產出的硫酸銨可作為化肥使用，具有一定的經濟效益^[7]。同時也存在容易產生氨逃逸問題，可能會引起二次污染；對設備有腐蝕性。

1.4.雙堿法

雙堿法是指同時使用兩種堿性物質作為吸收劑的方法，通常是石灰石（CaCO₃）和純堿（Na₂CO₃）。在雙堿法中，SO₂首先被純堿吸收，并轉化為硫酸鈉（Na₂SO₄）；隨后，石灰石用于再生純堿，完成脫硫循環。能夠有效地解決單一吸收劑容易飽和的問題，提高脫硫效率和吸收劑的利用率。其工藝流程相對復雜，操作成本較高。

總而言之，不同的濕法脫硫技術各有其特點和適用范圍。在選擇適合的脫硫技術時，需要綜合考慮脫硫效率、運營成本、環境影響以及副產品的處理和利用等多個因素。隨著環保標準的提高和技術的持續發展，未來還有望出現更多高效、經濟、環保的濕法脫硫技術。

2.干法脫硫技術

作為清潔生產的代表性技術，干法脫硫通過氣固兩相直接反應實現硫組分高效捕集，其核心優勢在于顛覆了傳統濕法對液態介質的依賴。行業報告顯示，該工藝通過納米級吸附材料與煙氣的湍流混合，在0.8-1.2s接觸時間內即可完成90%以上的SO₂轉化，這種干式反應機制不僅消除了廢水處理系統，更規避了“石膏雨”等二次污染風險。干法脫硫技術主要包括干法噴射吸收法和活性炭法等多種形式。

2.1.干法噴射吸收法（DSI）

在干法噴射吸收法中，將干燥的堿性粉末狀吸收劑（如石灰[Ca(OH)₂]、碳酸鈉[Na₂CO₃]）直接噴入煙道內，與經過的含SO₂煙氣發生化學反應，生成穩定的硫酸鹽或亞硫酸鹽固體顆粒，隨后通過除塵設備收集。該法具有設備投資和運行成本相對低廉；系統簡單，便于安裝和維護；不產生廢水，減少了水資源的消耗和廢水處理的環境壓力等優點^[8]。然而其脫硫效率相對較低，通常在50%~80%之間，取決于吸收劑類型和操作條件；吸收劑的利用率相對較低；對于高濃度SO₂的煙氣可能需要額外的措施以提高脫硫效率。

2.2活性炭法

活性炭法脫硫主要依靠活性炭的強大吸附作用實現脫硫效果^[9]?；钚蕴渴且环N多孔性碳材料，具有極高的比表面積，這使得其具有很強的吸附能力^[10]。在活性炭法脫硫過程中，含SO₂的煙氣通過裝填有活性炭的吸附塔，在活性炭表面吸附反應生成穩定的硫化物^[11]。

活性炭對SO₂具有很高的吸附效率，可以實現較高的脫硫效率。除了SO₂，活性炭還能吸附煙氣中的其他有害物質，如汞、二噁英等，具有較好的綜合凈化效果。

相比濕法脫硫技術，活性炭法避免了液態水或吸收劑溶液的使用，操作更為簡便，維護成本較低。吸附飽和后的活性炭可以經再生利用或安全處置，部分情況下可回收其中的有價值成分。

活性炭法脫硫適用于各種規模的燃煤電廠和工業鍋爐等場所，尤其適合于需要同時控制SO₂和其他有害物質排放的場合。此外，活性炭法也適用于處理那些對脫硫效率要求較高、煙氣成分復雜或空間受限的特殊環境。活性炭法脫硫技術以其獨特的優勢，在工業煙氣治理領域占有一席之地。通過不斷的技術創新和改進，活性炭法有望在未來對環境保護做出更大的貢獻。

3.半干法脫硫技術

3.1.CFB-FGD

煙氣循環流化床（CFB）脫硫技術最初由德國的煙氣循環流化床（LLB）公司提出，用于鋼鐵行業的燒結煙氣脫硫^[12]。經過20年的綜合研究和成熟的工程實踐，該技術發展迅速。循環流化床（CFB）技術通過吸收劑的循環利用顯著延長了氣固接觸時間，這項創新機制使得吸附劑利用率較傳統工藝提升近三倍^[13]。其技術本質可視為多形態能量傳遞過程：既包含顯性的熱力學傳遞，也涉及化學能轉換的微觀反應，在氣-液-固三相界面持續進行著動態的物質與能量交換。值得注意的是，這種獨特的工作狀態形成了溫度場、濕度場、速度場和濃度場共存的三相體系，呈現出多物理場耦合的復雜特性。

作為實現鋼鐵煙氣超低排放的關鍵技術，CFB-FGD系統憑借其結構緊湊、運行成本可控及90%以上的脫硫效率等顯著優勢，已在全球鋼鐵環保領域占據重要地位。國內鋼鐵龍頭企業如寶武鋼鐵集團燒結廠、福建三祥集團等項目的成功運行，充分驗證了該技術的工程適用性。但實際應用中也暴露出若干技術瓶頸：流場分布不均導致的偏流現象、燒結煙氣參數波動引發的床層失穩風險，以及即便提升表面氣體流速，吸附劑漿液仍需較長時間完成反應過程等固有缺陷，這些問題的持續改進仍是當前技術優化的重點方向。

3.2.DFA-FGD

北京科技大學發明的密流吸收器脫硫技術已廣泛應用于國內鋼鐵企業。其原理是煙氣在塔頂加濕激活后，從致密流吸收塔的上部進入塔，并與脫硫器接觸。為了加快脫硫速率，吸附劑通過鏈式攪拌器分散在塔內，并與煙氣充分接觸。大量含顆粒的煙氣從塔下出口排入除塵器進行氣固分離凈化。然后，塔中底部的固體顆粒再次進入塔中，與煙氣發生反應，少量的吸附劑在循環后被排放到垃圾桶中。 作為新型煙氣凈化裝置，密集流量吸濕器在工程應用中展現出多重優勢：其模塊化結構不僅占地面積較傳統設備縮減40%，更憑借自動化控制系統實現了“一鍵啟停”的便捷操作；在運行成本方面，獨特的防結垢設計配合耐腐蝕復合材料，使得設備壽命延長至15年以上，且維護周期可達2000工作小時；尤為突出的是，該裝置通過創新流道設計，成功將能耗控制在22kW·h/t吸附劑以下，較同類設備節能約30%。然而，該技術在實際脫硫工況中仍存在亟待突破的工藝瓶頸，在煙氣脫硫過程中，當前采用的斗式提升機投料方式存在明顯結構缺陷——當吸收劑與循環物質從塔頂傾瀉時，水分不能完全蒸發，導致吸收塔頂部漏風率高。更值得關注的是，隨著運行時長累積，塔內脫硫粉煤灰的沉積量每增加1kg/m³，系統壓損將上升22Pa，當灰渣堆積密度超過850kg/m³時，形成的板結塊體可能引發振打裝置過載報警，結塊的脫硫粉煤灰甚至會損壞操作系統^[14]。

3.3.SDA-FGD

自20世紀70年代以來，噴霧干燥吸收法（SDA）已在歐洲和美國被廣泛應用于脫硫工藝中。經過多年的不斷發展和大量應用，已成為世界上相對成熟的脫硫技術，其脫硫性能排名世界第二。在噴霧干燥吸收式煙氣脫硫過程中，采用高速離心霧化器對煙氣進行噴霧處理^[15]。高溫煙氣與脫硫塔內的堿性懸浮液充分接觸。一般來下，液滴的停留時間為10-15s。在保留期間，SO₂被噴射在脫硫塔內的堿性液滴吸收，并被煙氣的感熱蒸發。然后用袋式過濾器將排放的吸附劑從凈化后的煙氣中分離出來，用于填埋。與其他半干法脫硫工藝相比，SDA不需要大量的固體循環灰在塔內循環，脫硫后也不需要煙氣回流，以確保塔內固體脫硫灰處于流化狀態^[16]。

此外，噴霧干燥吸附的以下優點使其更有開發和應用的潛力。例如，干燥后的副產品不需要額外處理，設備內無結垢或腐蝕問題，吸收劑較便宜，安裝面積較小，現有設備易于改造，能耗和運行成本較低等。

4.脫硝技術

針對燒結工序產生的煙氣中氮氧化物(NOx)的治理，反硝化技術發揮著至關重要的作用。氮氧化物不僅對人體健康產生危害，還能在大氣中參與復雜的化學反應生成光化學煙霧等二次污染物。目前，控制燒結工序煙氣中NOx排放的主要技術有選擇性催化還原（SCR）、活性炭技術和臭氧氧化吸收。

4.1活性炭技術

活性炭技術利用活性炭表面的孔隙結構和化學特性吸附煙氣中的NOx。此外，將活性炭與臭氧配合使用，可以進一步提高NOx的去除效率?；钚蕴吭诿撓踹^程中起到載體和催化劑的雙重作用?；钚蕴繉Ox具有較高的吸附和催化還原能力。同時能夠移除1煙氣中的SO₂、重金屬等污染物^[17]。但活性炭需定期更換或再生，增加了運營成本，同時活性炭再生時可能產生二次污染。

4.2臭氧氧化吸收

利用臭氧（O₃）與NOx反應，將NOx氧化成水溶性的硝酸鹽，然后通過洗滌塔吸收除去。該技術主要包括兩個步驟：NOx的臭氧氧化和洗滌吸收。

其具有效率高，能有效去除低濃度的NOx，反應快速的優點。但臭氧的生成和使用成本較高，且臭氧具有較強的氧化性，存儲和使用時需特別小心以避免安全問題。

4.3選擇性催化還原（SCR）

選擇性催化還原（SCR）是目前應用最廣泛、效率最高的氮氧化物(NOx)減排技術之一。它主要應用于工業鍋爐、電力發電廠、燒結機、汽車尾氣處理等多個領域，特別是在大型燃煤發電站中得到了廣泛應用。SCR技術通過使用催化劑促進還原劑與NOx間的化學反應，在較低的溫度下將NOx還原為氮氣(N₂)和水(H₂O)，從而實現脫硝^[18]。

SCR反應的基本原理是在催化劑的作用下，將注入的還原劑（通常為氨NH₃或尿素CO(NH₂)₂）與煙氣中的NOx發生選擇性還原反應，生成無害的氮氣和水蒸氣。主要反應式如下：

(4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O)

(6NO₂ + 8NH₃ → 7N₂ + 12H₂O)

(NO + NO₂ + 2NH₃ → 2N₂ + 3H₂O)

催化劑是SCR系統的核心，其材料通常包括鈦酸釩(V₂O₅/TiO₂)、膨潤土、沸石等，也有使用貴金屬如鉑、鈀作為活性組分的。不同的催化劑具有不同的活性、選擇性、穩定性和耐久性。最常用的還原劑是氨水和尿素，它們在催化劑的作用下與NOx反應^[19]。選擇哪種還原劑取決于系統設計、運行成本和安全性考慮。SCR系統的反應溫度范圍通常為200℃至400℃。溫度對SCR反應有重要影響，過高或過低都會降低脫硝效率。

SCR脫硝效率高，可達90%以上，甚至接近100%^[20]。反應選擇性好，對SO₂等其他組分沒有反應，不會產生新的污染物。靈活性高，可以在廣泛的溫度和煙氣成分下工作。但成本相對較高，包括初始投資和運行費用。催化劑壽命受多種因素影響，可能需要定期更換。

5.結論

1) 在環保政策持續收緊的背景下，我國鋼鐵行業正經歷著脫硫技術的結構性變革。生態環境部數據顯示，2022年新實施的超低排放標準促使68%的鋼鐵企業開始技術路線轉型，燒結煙氣治理呈現出從濕法工藝向半干法技術迭代的顯著趨勢。盡管石灰石-石膏法當前仍占據75%的市場份額，但隨著"十四五"規劃對多污染物協同治理要求的提升，濕法工藝暴露出的占地規模大、易產生"石膏雨"等缺陷日益凸顯。特別在長三角某特鋼基地的改造案例中，半干法系統通過模塊化設計將脫硫效率穩定在98.5%以上，這預示著技術替代的必然走向。

2) 聚焦脫硝領域，SCR技術憑借其特有的工程優勢持續領跑行業。中國鋼鐵工業協會2023年度報告指出，在統計的127個改造項目中，89%選擇SCR工藝，其核心吸引力在于構建了效率-成本-安全的三角平衡：①實測脫硝效率突破92%的技術天花板；②噸鋼運營成本較活性炭工藝降低23%；③催化劑模塊化設計使危廢產生量減少65%。值得注意的是，某千萬噸級鋼企通過流場優化將氨逃逸率控制在2.3mg/m³以下，這項創新實踐進一步鞏固了SCR技術作為主流解決方案的產業地位^[21]。

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